CN103008596B - 一种圆坯连铸机热坯压力控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆坯连铸机热坯压力控制系统和方法，属于炼钢连铸技术领域。该系统包括参数获取模块、第一计算模块、第二计算模块、第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、第一调整模块和第二调整模块；其中，参数获取模块用于获取连铸机的性能参数、设定的最大表面压痕变形量、设定的初始表面压痕变形量和变形步长；计算模块根据连铸机的性能参数，分别计算结晶器摩擦阻力、连铸坯下滑力、连铸坯矫直力、热坯压力、拉矫阻力和支撑辊的摩擦阻力；第一判断模块判断初始表面压痕变形量是否大于最大表面压痕变形量；调整模块用于根据初始表面压痕变形量和变形步长，得到表面压痕变形量。本发明可有效降低圆铸坯的表面压痕，提高连铸坯质量率。

Description

一种圆坯连铸机热坯压力控制系统和方法

技术领域

本发明属于炼钢连铸技术领域，特别涉及一种圆坯连铸机热坯压力控制系统和方法。

背景技术

研究表明，圆坯不圆度缺陷形成的原因主要是两类应力导致的变形。一类是热应力，主要是由于铸坯环形断面上的不均匀凝固所致；另一类是机械应力，主要是由于拉矫机拉矫辊的热坯压力过大所致。

随着连铸技术的提高，新工艺、新技术的研发与应用，在铸坯均匀凝固方面取得了较大的突破，铸坯的不均匀凝固导致的椭圆变形已经得到较好地解决。但是对于因机械压痕引起的不圆度缺陷问题上，还没有形成系统的理论和方法，还只能经过经验和多次调试试验来制定合适的热坯压力；此外，实际生产中，即使不圆度满足了质量要求，但是仍然不能确定热坯压力是不是最优。

连铸圆坯，尤其是连铸大断面圆坯，其拉坯和矫直过程热坯压力设计缺乏科学的理论依据，由其导致的圆坯压痕缺陷和不圆度缺陷至今仍是制约圆坯生产质量提升与成材率提高的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种圆坯连铸机热坯压力控制系统和方法，解决了现有技术制备的圆坯有压痕和圆度不够的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种圆坯连铸机热坯压力控制系统，包括参数获取模块、第一计算模块、第二计算模块、第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、第一调整模块和第二调整模块；

所述参数获取模块，用于获取连铸机的性能参数、最大表面压痕变形量、初始表面压痕变形量和变形步长；

所述第一计算模块，用于根据所述初始表面压痕变形量和变形步长，计算得到表面压痕变形量；

所述第二计算模块，用于根据所述连铸机的性能参数，计算得到结晶器摩擦阻力、连铸坯下滑力、连铸坯矫直力和拉矫阻力；根据所述连铸机的性能参数和所述表面压痕变形量，计算得到热坯压力；根据所述拉矫阻力和所述结晶器摩擦阻力，计算得到支撑辊的摩擦阻力；

所述第一判断模块，用于判断所述表面压痕变形量是否大于所述最大表面压痕变形量；

所述第二判断模块，用于根据所述第一判断模块的所述表面压痕变形量小于所述最大表面压痕变形量的结果，判断所述热坯压力是否大于所述连铸坯矫直力；

所述第三判断模块，用于根据所述第二判断模块的所述热坯压力大于所述连铸坯矫直力的结果，判断所述结晶器摩擦阻力、所述支撑辊的摩擦阻力与所述拉矫阻力的和是否大于所述连铸坯下滑力；

所述第一调整模块，用于根据所述第一判断模块的所述表面压痕变形量大于所述最大表面压痕变形量的结果，调整所述变形步长；

所述第二调整模块，用于根据所述第二判断模块的所述热坯压力小于所述连铸坯矫直力的结果或所述第三判断模块的所述结晶器摩擦阻力、所述支撑辊的摩擦阻力与所述拉矫阻力的和小于所述连铸坯下滑力的结果，将所述表面压痕变形量作为所述初始表面压痕变形量。

进一步地，所述连铸机的性能参数包括连铸坯断面半径、连铸机半径、连铸坯断面尺寸直径、结晶器与连铸坯的摩擦系数、连铸坯屈服极限应力、连铸机半径拉矫机个数、拉矫辊直径半径、拉矫辊的孔槽半径孔槽直径及深度、活塞杆或者活塞直径和拉矫辊上辊自重。

一种圆坯连铸机热坯压力控制方法，包括如下步骤：

获取连铸机的性能参数、最大表面压痕变形量、初始表面压痕变形量和变形步长；

根据所述初始表面压痕变形量和变形步长，计算得到表面压痕变形量；

根据所述连铸机的性能参数，计算得到结晶器摩擦阻力、连铸坯下滑力、连铸坯矫直力和拉矫阻力；根据所述连铸机的性能参数和所述表面压痕变形量，计算得到热坯压力；根据所述拉矫阻力和所述结晶器摩擦阻力，计算得到支撑辊的摩擦阻力；

判断所述表面压痕变形量是否大于所述最大表面压痕变形量；

根据所述表面压痕变形量小于所述最大表面压痕变形量的判断结果，判断所述热坯压力是否大于所述连铸坯矫直力；

根据所述热坯压力大于所述连铸坯矫直力的判断结果，判断所述结晶器摩擦阻力、所述支撑辊的摩擦阻力与所述拉矫阻力的和是否大于所述连铸坯下滑力；

根据所述表面压痕变形量大于所述最大表面压痕变形量的结果，调整所述变形步长；

根据所述热坯压力小于所述连铸坯矫直力的结果或所述结晶器摩擦阻力、所述支撑辊的摩擦阻力与所述拉矫阻力的和小于所述连铸坯下滑力的结果，将所述表面压痕变形量作为所述初始表面压痕变形量。

进一步地，所述计算连铸坯矫直力的方法如式（1）和式（2）所示：

$M_s=2\×{10}^{-9}\×\underset{0}{\overset{R}{\∫}}{\mathrm{\δ}}_s\·x\·\sqrt{R^2-x^2}\mathrm{dx}=\frac{4}{3}\×{10}^{-9}\×{\mathrm{\δ}}_s{R}^3---\left(1\right)$

式中：

M_s为矫直力矩；δ_s为连铸坯屈服极限应力；R为连铸坯断面半径；x为连铸坯中心到连铸坯断面上弦长的距离；

$F_s=\frac{M_s}{L_s}=\frac{{4\mathrm{\δ}}_s{R}^3}{{3L}_s}{10}^{-9}---\left(2\right)$

式中：

F_s为矫直力；M_s为矫直力矩；L_s为矫直辊距；δ_s为连铸坯屈服极限应力；R为连铸坯断面半径。

进一步地，所述计算热坯压力的方法为如式（3）所示：

$P=\frac{\mathrm{\δ}\·S-G}{{\mathrm{gA}}_{s}K}---\left(3\right)$

式中：

P为热坯压力；G为拉矫辊上辊自重；g为重力加速度；A_s为活塞杆或者活塞面积；K为校正系数；S为拉矫辊与连铸坯接触区面积；δ_s为连铸坯屈服极限应力；

其中，当拉矫辊为平辊型时，所述拉矫辊与连铸坯接触区面积如式（4）和式（5）所示：

$S=\underset{0}{\overset{\mathrm{\α}}{\∫}}{2r}_r\sqrt{r_s^2-{(r_s-(r_r\cos \mathrm{\θ}-r_r\cos \mathrm{\α}))}^2}\mathrm{d\θ}---\left(4\right)$

式（4）中，S为拉矫辊与连铸坯接触区面积；α为咬入角；r_s为连铸坯断面尺寸半径；r_r为拉矫辊半径；θ为拉矫辊与连铸坯接触区内的各点绕拉矫辊中心沿拉矫辊压下方向所形成的平面夹角；

α＝arccos(r_r-t)/r_r)         （5）

式（5）中，α为咬入角；r_r为拉矫辊半径；t为表面压痕变形量;

其中，当拉矫辊为孔型时，所述拉矫辊与连铸坯接触区面积如式（6）、（7）和（5）所示：

$S=\underset{0}{\overset{\mathrm{\α}}{\∫}}{2r}_g\arccos \left(\frac{r_g^2+r_t^2-t_s^2}{{2r}_g{r}_t}\right)\·r_r\cos \mathrm{\θd\θ}---\left(6\right)$

r_t＝r_g-r_s+t-r_r(1-cosα)                            (7)

α＝arccos(r_r-t)/r_r)                     （5）

在式（6）、（7）和（5）中，S为拉矫辊与连铸坯接触区面积；α为咬入角；r_s为连铸坯断面尺寸半径；r_r为拉矫辊半径；r_g为拉矫辊的孔槽半径；t为表面压痕变形量；θ为拉矫辊与连铸坯接触区内的各点绕拉矫辊中心沿拉矫辊压下方向所形成的平面夹角；r_t为拉矫辊孔槽圆弧所在圆心与连铸坯断面中心之间的距离。

进一步地，所述计算结晶器摩擦阻力的方法如式（8）所示：

$R_m=K_m\mathrm{\μ}\·\underset{0}{\overset{h}{\∫}}\mathrm{\ρhg\π}\frac{D}{1000}\mathrm{dh}=1\×{10}^{-3}\×K_m\mathrm{\μ\ρg\π}{\mathrm{Rh}}^2---\left(8\right)$

式中：

R_m为结晶器摩擦阻力；K_m为修正系数；μ为结晶器与连铸坯的摩擦系数；ρ为钢水密度；g为重力加速度；D为连铸坯断面尺寸直径；R为连铸坯断面尺寸半径；h为结晶器内液面垂直高度。

进一步地，所述计算连铸坯下滑力的方法如式（9）所示：

$R_s=\underset{0}{\overset{\frac{\mathrm{\π}}{2}{R}_0}{\∫}}\mathrm{\ρg\π}{\left(\frac{D}{2000}\right)}^2\cos \frac{l}{R_0}\mathrm{dl}=2.5\×{10}^{-5}\×\mathrm{\ρg\π}{D}^2{R}_0---\left(9\right)$

式中：

R_S为连铸坯下滑力；ρ为铸坯密度；g为重力加速度；D为连铸坯断面尺寸直径；R₀为连铸机半径。

进一步地，所述计算拉矫阻力的方法如式（10）所示：

$R_F=\frac{P_s{L}_s}{R_0}=\frac{L_s}{R_0}\·\mathrm{\δ}\·S=K_s\·\mathrm{\δ}\·S---\left(10\right)$

式中：

R_F为拉矫阻力；R₀为连铸机半径；δ为铸坯变形抵抗阻力；S为拉矫辊与连铸坯接触区面积。

进一步地，所述计算得到支撑辊的摩擦阻力的方法如式（11）所示：

R_r＝(R_m+R_F)/10                       （11）

其中，R_F为拉矫阻力；R_m为结晶器摩擦阻力；R_r为支撑辊的摩擦阻力。

本发明提供的圆坯连铸机热坯压力控制系统和方法，可有效降低圆铸坯的表面压痕，防止连铸坯不圆度缺陷的产生，提高连铸坯质量率。同时，随着检测技术的进步，可进一步开发出圆铸坯表面压痕和不圆度缺陷跟踪与预判系统，实时跟踪圆铸坯形状缺陷，并在线调节热坯压力以提高圆铸坯成材率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的圆坯连铸机热坯压力控制的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明作进一步说明。

本发明实施例提供了一种圆坯连铸机热坯压力控制系统，包括参数获取模块、第一计算模块、第二计算模块、第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、第一调整模块和第二调整模块；

参数获取模块，用于获取连铸机的性能参数、最大表面压痕变形量、初始表面压痕变形量和变形步长；

第一计算模块，用于根据初始表面压痕变形量和变形步长，计算得到表面压痕变形量；

第二计算模块，用于根据连铸机的性能参数，计算得到结晶器摩擦阻力、连铸坯下滑力、连铸坯矫直力和拉矫阻力；根据连铸机的性能参数和表面压痕变形量，计算得到热坯压力；根据拉矫阻力和结晶器摩擦阻力，计算得到支撑辊的摩擦阻力；在本发明实施例中，连铸机的性能参数包括连铸坯断面半径、连铸机半径、连铸坯断面尺寸直径、结晶器与连铸坯的摩擦系数、连铸坯屈服极限应力、连铸机半径拉矫机个数、拉矫辊直径半径、拉矫辊的孔槽半径孔槽直径及深度、活塞杆或者活塞直径和拉矫辊上辊自重等；

第一判断模块，用于判断表面压痕变形量是否大于最大表面压痕变形量；

第二判断模块，用于根据第一判断模块的表面压痕变形量小于最大表面压痕变形量的结果，判断热坯压力是否大于连铸坯矫直力；

第三判断模块，用于根据第二判断模块的所述热坯压力大于连铸坯矫直力的结果，判断结晶器摩擦阻力、支撑辊的摩擦阻力与拉矫阻力的和是否大于所述连铸坯下滑力；

第一调整模块，用于根据第一判断模块的表面压痕变形量大于最大表面压痕变形量的结果，调整变形步长；

第二调整模块，用于根据第二判断模块的热坯压力小于连铸坯矫直力的结果或第三判断模块的结晶器摩擦阻力、支撑辊的摩擦阻力与拉矫阻力的和小于连铸坯下滑力的结果，将表面压痕变形量作为初始表面压痕变形量。

参见图1，本发明实施例提供了一种圆坯连铸机热坯压力控制方法，包括如下步骤：

步骤101：获取连铸机的性能参数、设定的最大表面压痕变形量、设定的初始表面压痕变形量和变形步长；其中，连铸机的性能参数包括连铸坯断面半径、连铸机半径、连铸坯断面尺寸直径、结晶器与连铸坯的摩擦系数、连铸坯屈服极限应力、连铸机半径拉矫机个数、拉矫辊直径半径、拉矫辊的孔槽半径孔槽直径及深度、活塞杆或者活塞直径和拉矫辊上辊自重等；

步骤102：根据初始表面压痕变形量和变形步长，计算得到表面压痕变形量；

步骤103:根据连铸机的性能参数，计算得到结晶器摩擦阻力、连铸坯下滑力、连铸坯矫直力和拉矫阻力；

其中，结晶器摩擦阻力是指连续向下运动的铸坯与不断振动的结晶器之间,由于相对运动而产生的摩擦力。影响铸坯与结晶器间摩擦力的因素很多,包括工艺参数的选取、铸坯本身的因素(如碳含量、合金元素、凝固过程中的相变等)以及保护渣的物理性能和工艺操作等；计算结晶器摩擦阻力的方法如式（8）所示：

$R_m=K_m\mathrm{\μ}\·\underset{0}{\overset{h}{\∫}}\mathrm{\ρhg\π}\frac{D}{1000}\mathrm{dh}=1\×{10}^{-3}\×K_m\mathrm{\μ\ρg\π}{\mathrm{Rh}}^2---\left(8\right)$

式中：

R_m为结晶器摩擦阻力,单位为N；K_m为修正系数；μ为结晶器与铸坯的摩擦系数；ρ为钢水密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为N/kg；D为铸坯断面尺寸直径，单位为mm；R为铸坯断面尺寸半径，单位为mm；h为结晶器内液面垂直高度，单位为m；

其中，连铸过程中，铸坯因自重而产生下滑，对于弧形圆坯连铸机，计算连铸坯下滑力的方法如式（9）所示：

$R_s=\underset{0}{\overset{\frac{\mathrm{\π}}{2}{R}_0}{\∫}}\mathrm{\ρg\π}{\left(\frac{D}{2000}\right)}^2\cos \frac{l}{R_0}\mathrm{dl}=2.5\×{10}^{-5}\×\mathrm{\ρg\π}{D}^2{R}_0---\left(9\right)$

式中：

R_S为连铸坯下滑力,单位为N；ρ为铸坯密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为N/kg；D为铸坯断面尺寸直径，单位为mm；R₀为铸机半径，单位为m；

在弧形连铸机的生产中，为了保证生产的顺行，需要通过外力的作用使得弧形的铸坯产生变形成为平直的铸坯，这个过程在连铸中成为矫直。铸坯的矫直过程与铸坯生产及铸坯质量均有着重要的影响。假定铸坯矫直过程中的断面始终保持一个平面，则附加外力矩的大小决定了铸坯内引起应力的大小，当达到矫直力矩时，才能使铸坯内部产生的应力全部达到屈服极限，使铸坯在整个断面产生塑性变形，铸坯得以完全被矫直。但当外力矩过小时，铸坯得不到完全矫直，拉坯会因受阻而停产；而外力矩过大时，一方面将使铸坯通过矫直辊时的阻力增大，可能导致拉坯打滑或者打不动现象，另一方面较大的矫直力也会使铸坯产生较大的变形，影响铸坯内部质量或断面尺寸。合适的矫直力是保证铸机生产顺行和良好铸坯质量的一个重要参数；

连铸坯的矫直过程分为固相矫直和液相矫直。固相矫直是指矫直点处铸坯已完全凝固下进行的矫直；液相矫直是指矫直点处铸坯内部还存在液相进行的矫直。一般固相矫直所要求的矫直力会略大于液相矫直，因此，考虑到各工况下的浇注状况，可按照固相矫直的方式来确定矫直力的大小。研究表明，铸坯在矫直过程中弹性变形较小，因此铸坯在矫直过程中可近似认为是完全塑形变形；

其中，计算连铸坯矫直力的方法如式（1）和式（2）所示：

$M_s=2\×{10}^{-9}\×\underset{0}{\overset{R}{\∫}}{\mathrm{\δ}}_s\·x\·\sqrt{R^2-x^2}\mathrm{dx}=\frac{4}{3}\×{10}^{-9}\×{\mathrm{\δ}}_s{R}^3---\left(1\right)$

式中：

M_s为矫直力矩，N·m；δ_s为连铸坯屈服极限应力，Pa；R为连铸坯断面半径，mm；x为连铸坯中心到连铸坯断面上弦长的距离，m；

$F_s=\frac{M_s}{L_s}=\frac{{4\mathrm{\δ}}_s{R}^3}{{3L}_s}{10}^{-9}---\left(2\right)$

式中：

F_s为矫直力，N；M_s为矫直力矩，N·m；L_s为矫直辊距，m；δ_s为连铸坯屈服极限应力；R为连铸坯断面半径;

其中，计算拉矫阻力的方法如式（10）所示：

$R_F=\frac{P_s{L}_s}{R_0}=\frac{L_s}{R_0}\·\mathrm{\δ}\·S=K_s\·\mathrm{\δ}\·S---\left(10\right)$

式中：

R_F为拉矫阻力，N；R₀为连铸机半径，m；δ为连铸坯变形抵抗阻力，Pa；S为拉矫辊与连铸坯接触区面积，m²；

根据连铸机的性能参数和所述表面压痕变形量，计算得到热坯压力；

连铸机拉矫机大多采用液压动力作用于拉矫机的上辊（也可能作用于下辊或同时作用）来实现夹持铸坯。液压系统压力根据工艺需要,在连铸过程中对应不同情况设定不同压力值,通常有送引锭杆、拉热坯及矫直、轻压下（方坯和板坯连铸机）、拉冷坯或处理尾坯等不同压力设定模式；在圆坯连铸生产中，影响铸坯机械变形的主要是热坯压力，计算热坯压力的方法为如式（3）所示：

$P=\frac{\mathrm{\δ}\·S-G}{{\mathrm{gA}}_{s}K}---\left(3\right)$

式中：

P为热坯压力，kg/cm²；G为拉矫辊上辊自重，N；g为重力加速度，N/kg；A_s为活塞杆或者活塞面积，cm²；K为校正系数；S为拉矫辊与连铸坯接触区面积；δ_s为连铸坯屈服极限应力,N；

在圆坯连铸过程中，不同的拉矫辊辊型会产生不同的拉矫辊与铸坯压下变形区，则其变形区的计算也不同，当拉矫辊为平辊型时，所述拉矫辊与连铸坯接触区面积如式（4）和式（5）所示：

$S=\underset{0}{\overset{\mathrm{\α}}{\∫}}{2r}_r\sqrt{r_s^2-{(r_s-(r_r\cos \mathrm{\θ}-r_r\cos \mathrm{\α}))}^2}\mathrm{d\θ}---\left(4\right)$

式（4）中，S为拉矫辊与连铸坯接触区面积，m²；α为咬入角，rad；r_s为连铸坯断面尺寸半径,m；r_r为拉矫辊半径，m；θ为拉矫辊与连铸坯接触区内的各点绕拉矫辊中心沿拉矫辊压下方向所形成的平面夹角；

α＝arccos(r_r-t)/r_r)          （5）

式（5）中，α为咬入角，rad；r_r为拉矫辊半径，m；t为表面压痕变形量，mm;

其中，当拉矫辊为孔型时，所述拉矫辊与连铸坯接触区面积如式（6）、（7）和（5）所示：

$S=\underset{0}{\overset{\mathrm{\α}}{\∫}}{2r}_g\arccos \left(\frac{r_g^2+r_t^2-t_s^2}{{2r}_g{r}_t}\right)\·r_r\cos \mathrm{\θd\θ}---\left(6\right)$

r_t＝r_g-r_s+t-r_r(1-cosα)                        (7)

α＝arccos(r_r-t)/r_r)                  （5）

在式（6）、（7）和（5）中，S为拉矫辊与连铸坯接触区面积，m²；α为咬入角，rad；r_s为连铸坯断面尺寸半径,m；r_r为拉矫辊半径，m；r_g为拉矫辊的孔槽半径，m；t为表面压痕变形量，mm；θ为拉矫辊与连铸坯接触区内的各点绕拉矫辊中心沿拉矫辊压下方向所形成的平面夹角；r_t为拉矫辊孔槽圆弧所在圆心与连铸坯断面中心之间的距离

根据拉矫阻力和所述结晶器摩擦阻力，计算得到支撑辊的摩擦阻力；

其中，计算支撑辊的摩擦阻力的方法如式（11）所示：

R_r＝(R_m+R_F)/10                       （11）

其中，R_F为拉矫阻力，N；R_m为结晶器摩擦阻力,单位为N；R_r为支撑辊的摩擦阻力,单位为N。

步骤104：判断表面压痕变形量是否大于最大表面压痕变形量，如果表面压痕变形量大于最大表面压痕变形量，执行步骤107，否则，执行步骤105；

步骤105：判断热坯压力是否大于连铸坯矫直力，如果热坯压力大于连铸坯矫直力，则执行步骤106；否则，执行步骤108；

步骤106：判断结晶器摩擦阻力、支撑辊的摩擦阻力与拉矫阻力的和是否大于连铸坯下滑力，如果结晶器摩擦阻力、支撑辊的摩擦阻力与拉矫阻力的和大于连铸坯下滑力，则热坯压力为最优热坯压力；否则，执行步骤108；

步骤107：根据表面压痕变形量大于最大表面压痕变形量的结果，调整变形步长，将变形步长的1/2为调整后的变形步长，执行步骤102-104；当调整后的变形步长小于0.05mm时，由于调整后的变形步长不满足工业生产的要求，退出该方法；

步骤108：根据热坯压力小于连铸坯矫直力的结果或结晶器摩擦阻力、支撑辊的摩擦阻力与拉矫阻力的和小于所述连铸坯下滑力的结果，将表面压痕变形量作为初始表面压痕变形量，执行步骤102-106。

下面给出一个本发明实施例的典型应用，具体为：某圆坯连铸机主要参数为：断面尺寸直径200mm，连铸坯密度7800kg/m³,连铸坯屈服极限49MPa，连铸机弧形半径12m，结晶器长度0.9m，拉矫辊直径450mm，拉矫辊孔槽直径310mm，孔槽深度4mm，拉矫辊自重430kg，液压缸活塞直径250mm，活塞杆直径160mm，拉矫机个数5个。设定初始表面压痕变形量为0.2mm，设定变形步长为0.2mm，设定最大表面压痕变形量为1.5mm。

计算初始表面压痕变形量初设变形量0.2mm与变形步长0.2mm的和,得到表面压痕变形量为0.4mm，由于表面压痕变形量小于最大表面压痕变形量；

根据公式（1）、（2）、（3）、（4）和（5）分别计算得出，连铸坯矫直力为4.4kg/cm²，热坯压力P=0.7kg/cm²；根据式（8）、（9）、（10）和（11），分别计算结晶器摩擦阻力、连铸坯下滑力、拉矫阻力和支撑辊的摩擦阻力；依次得到拉矫阻力R_F＝1.8t，结晶器摩擦阻力0.7t、连铸坯下滑力2.9t、支撑辊的摩擦阻力R_r=0.25t；拉坯阻力R=1.8+0.25+0.7=2.75t；

由于表面压痕变形量小于最大表面压痕变形量由于，判断热坯压力小于连铸坯矫直力的结果，因此将表面压痕变形量0.4mm作为所述初始表面压痕变形量，重新加变形步长0.2mm,计算初始表面压痕变形量初设变形量0.4mm与变形步长0.2mm的和，得到新的表面压痕变形量为0.6m,由于新的表面压痕变形量小于最大表面压痕变形量1.5mm，得到该表面压痕变形量为0.6mm,得到新的热坯压力P=2.3kg/cm²；

重新判断，由于新的热坯压力小于连铸坯矫直力,继续调整变形步长，将新的表面压痕变形量作为初始表面压痕变形量，直至表面压痕变形量t=0.8mm时，新的热坯压力P=5.4kg/cm²；

根据新的热坯压力大于连铸坯矫直力的结果，判断拉坯阻力R小于连铸坯下滑力的结果，因此，将新的表面压痕变形量作为初始表面压痕变形量，根据变形步长，重新调整计算得到表面压痕变形量t=1.0mm，得到最优的表面压痕变形量，计算得到新的热坯压力P=7.0kg/cm²，拉矫阻力R_F＝2.4t，支撑辊摩擦阻力R_r=0.31t，拉坯阻力R=2.4+0.31+0.7=3.41t，拉坯阻力R大于连铸坯下滑力，因此可以设定该圆坯连铸机的最优热坯压力为7kg/cm²，并打印出该最优热坯压力。生产实践表明，在该热坯压力下，连铸坯的表面压痕和不圆度缺陷均得到了很好的控制。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种圆坯连铸机热坯压力控制系统，其特征在于，包括参数获取模块、第一计算模块、第二计算模块、第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、第一调整模块和第二调整模块；

所述参数获取模块，用于获取连铸机的性能参数、最大表面压痕变形量、初始表面压痕变形量和变形步长；

所述第一计算模块，用于根据所述初始表面压痕变形量和变形步长，计算得到表面压痕变形量；

所述第二计算模块，用于根据所述连铸机的性能参数，计算得到结晶器摩擦阻力、连铸坯下滑力、连铸坯矫直力和拉矫阻力；根据所述连铸机的性能参数和所述表面压痕变形量，计算得到热坯压力；根据所述拉矫阻力和所述结晶器摩擦阻力，计算得到支撑辊的摩擦阻力；

所述第一判断模块，用于判断所述表面压痕变形量是否大于所述最大表面压痕变形量；

所述第二判断模块，用于根据所述第一判断模块的所述表面压痕变形量小于所述最大表面压痕变形量的结果，判断所述热坯压力是否大于所述连铸坯矫直力；

所述第三判断模块，用于根据所述第二判断模块的所述热坯压力大于所述连铸坯矫直力的结果，判断所述结晶器摩擦阻力、所述支撑辊的摩擦阻力与所述拉矫阻力的和是否大于所述连铸坯下滑力；

所述第一调整模块，用于根据所述第一判断模块的所述表面压痕变形量大于所述最大表面压痕变形量的结果，调整所述变形步长；

所述第二调整模块，用于根据所述第二判断模块的所述热坯压力小于所述连铸坯矫直力的结果或所述第三判断模块的所述结晶器摩擦阻力、所述支撑辊的摩擦阻力与所述拉矫阻力的和小于所述连铸坯下滑力的结果，将所述表面压痕变形量作为所述初始表面压痕变形量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连铸机的性能参数包括连铸坯断面半径、连铸机半径、连铸坯断面尺寸直径、结晶器与连铸坯的摩擦系数、连铸坯屈服极限应力、连铸机半径拉矫机个数、拉矫辊直径半径、拉矫辊的孔槽半径孔槽直径及深度、活塞杆或者活塞直径和拉矫辊上辊自重。

3.一种圆坯连铸机热坯压力控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取连铸机的性能参数、最大表面压痕变形量、初始表面压痕变形量和变形步长；

根据所述初始表面压痕变形量和变形步长，计算得到表面压痕变形量；

根据所述连铸机的性能参数，计算得到结晶器摩擦阻力、连铸坯下滑力、连铸坯矫直力和拉矫阻力；根据所述连铸机的性能参数和所述表面压痕变形量，计算得到热坯压力；根据所述拉矫阻力和所述结晶器摩擦阻力，计算得到支撑辊的摩擦阻力；

判断所述表面压痕变形量是否大于所述最大表面压痕变形量；

根据所述表面压痕变形量小于所述最大表面压痕变形量的判断结果，判断所述热坯压力是否大于所述连铸坯矫直力；

根据所述热坯压力大于所述连铸坯矫直力的判断结果，判断所述结晶器摩擦阻力、所述支撑辊的摩擦阻力与所述拉矫阻力的和是否大于所述连铸坯下滑力；

根据所述表面压痕变形量大于所述最大表面压痕变形量的结果，调整所述变形步长；

根据所述热坯压力小于所述连铸坯矫直力的结果或所述结晶器摩擦阻力、所述支撑辊的摩擦阻力与所述拉矫阻力的和小于所述连铸坯下滑力的结果，将所述表面压痕变形量作为所述初始表面压痕变形量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算连铸坯矫直力的方法如式(1)和式(2)所示：

$M_s=2\×{10}^{-9}\×\underset{0}{\overset{R}{\∫}}{\mathrm{\δ}}_s\·x\·\sqrt{R^2-x^2}\mathrm{dx}=\frac{4}{3}\×{10}^{-9}\×{\mathrm{\δ}}_s{R}^3---\left(1\right)$

式中：

M_s为矫直力矩；δ_s为连铸坯屈服极限应力；R为连铸坯断面半径；x为连铸坯中心到连铸坯断面上弦长的距离；

$F_s=\frac{M_s}{L_s}=\frac{{4\mathrm{\δ}}_s{R}^3}{{3L}_s}\×{10}^{-9}---\left(2\right)$

式中：

F_s为矫直力；M_s为矫直力矩；L_s为矫直辊距；δ_s为连铸坯屈服极限应力；R为连铸坯断面半径。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算热坯压力的方法为如式(3)所示：

$P=\frac{{\mathrm{\δ}}_s\·S-G}{{\mathrm{gA}}_{s}K}---\left(3\right)$

式中：

P为热坯压力；G为拉矫辊上辊自重；g为重力加速度；A_s为活塞杆或者活塞面积；K为校正系数；S为拉矫辊与连铸坯接触区面积；δ_s为连铸坯屈服极限应力；

其中，当拉矫辊为平辊型时，所述拉矫辊与连铸坯接触区面积如式(4)和式(5)所示：

$S=\underset{0}{\overset{\mathrm{\α}}{\∫}}{2r}_r\sqrt{r_s^2-{(r_s-(r_s-\cos \mathrm{\θ}-r_r\cos \mathrm{\α}))}^2}\mathrm{d\θ}---\left(4\right)$

式(4)中，S为拉矫辊与连铸坯接触区面积；α为咬入角；r_s为连铸坯断面尺寸半径；r_r为拉矫辊半径；θ为拉矫辊与连铸坯接触区内的各点绕拉矫辊中心沿拉矫辊压下方向所形成的平面夹角；

α＝arccos((r_r-t)/r_r)   (5)

式(5)中，α为咬入角；r_r为拉矫辊半径；t为表面压痕变形量；

其中，当拉矫辊为孔型时，所述拉矫辊与连铸坯接触区面积如式(6)、(7)和(5)所示：

$S=\underset{0}{\overset{\mathrm{\α}}{\∫}}{2r}_g\arccos \left(\frac{r_g^2+{r_t}^2-r_s^2}{{2r}_g{r}_t}\right)\·r_r\cos \mathrm{\θd\θ}---\left(6\right)$

r_t＝r_g-r_s+t-r_r(1-cosα)   (7)

α＝arccos((r_r-t)/r_r)   (5)

在式(6)、(7)和(5)中，S为拉矫辊与连铸坯接触区面积；α为咬入角；r_s为连铸坯断面尺寸半径；r_r为拉矫辊半径；r_g为拉矫辊的孔槽半径；t为表面压痕变形量；θ为拉矫辊与连铸坯接触区内的各点绕拉矫辊中心沿拉矫辊压下方向所形成的平面夹角；r_t为拉矫辊孔槽圆弧所在圆心与连铸坯断面中心之间的距离。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算结晶器摩擦阻力的方法如式(8)所示：

$R_m=K_m\mathrm{\μ}\·\underset{0}{\overset{h}{\∫}}\mathrm{\ρhg\π}\frac{D}{1000}\mathrm{dh}=1\×{10}^{-3}\×K_m\mathrm{\μ\ρg\π}{\mathrm{Rh}}^2---\left(8\right)$

式中：

R_m为结晶器摩擦阻力；K_m为修正系数；μ为结晶器与铸坯的摩擦系数；ρ为钢水密度；g为重力加速度；D为连铸坯断面尺寸直径；R为连铸坯断面尺寸半径；h为结晶器内液面垂直高度。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算连铸坯下滑力的方法如式(9)所示：

$R_s=\underset{0}{\overset{\frac{\mathrm{\π}}{2}{R}_0}{\∫}}\mathrm{\ρg\π}{\left(\frac{D}{2000}\right)}^2\cos \frac{l}{R_0}\mathrm{dl}=2.5\×{10}^{-5}\×\mathrm{\ρg\π}{D}^2{R}_0---\left(9\right)$

式中：

R_S为连铸坯下滑力；ρ为铸坯密度；g为重力加速度；D为连铸坯断面直径；R₀为连铸机半径。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算拉矫阻力的方法如式(10)所示：

$R_F=\frac{P_s{L}_s}{R_0}=\frac{L_s}{R_0}\·\mathrm{\δ}\·S=K_s\·\mathrm{\δ}\·S---\left(10\right)$

式中：

R_F为拉矫阻力；R₀为连铸机半径；δ为铸坯变形抵抗阻力

；S为拉矫辊与连铸坯接触区面积；P_s为拉矫机压力；K_s为综合考虑矫直阻力的拉矫机摩擦阻力修正系数。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算得到支撑辊的摩擦阻力的方法如式(11)所示：

R_r＝(R_m+R_F)/10   (11)

其中，R_F为拉矫阻力；R_m为结晶器摩擦阻力；R_r为支撑辊的摩擦阻力。